研究發(fā)現(xiàn)磁性材料可以容納狡猾的Weyl費米子

由能源部橡樹嶺實驗室和田納西大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家小組進行的中子和X射線研究顯示，磁性晶體結(jié)構(gòu)中可能存在難以捉摸的無質(zhì)量粒子。

在Nature Communications發(fā)表的一篇論文中，研究小組研究了一種含有致密元素鋨的材料，并記錄了Weyl費米子存在所需的兩個條件 - 在1929年預(yù)測的無質(zhì)量粒子，并在2015年首次實驗觀察。研究人員正在尋找其他可以承載粒子的材料，目的是利用其在自旋電子學(xué)和量子計算機等高級計算應(yīng)用中的獨特屬性。

“一旦你擁有了一種載有這些粒子的物質(zhì)，它們就像電子一樣，但由于它們沒有質(zhì)量，因此行進得更快，”ORNL的團隊研究的第一作者Stuart Calder說。“由于所有電子產(chǎn)品都是以電子為基礎(chǔ)，如果用這些Weyl費米子代替電子，原則上你可以擁有更快的器件。”

科學(xué)家們在ORNL的DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室High Flux Isotope Reactor進行了中子衍射研究，以明確定義具有燒綠石晶體結(jié)構(gòu)的鋨基材料的磁性順序。他們發(fā)現(xiàn)它具有“全進，全出”的磁性順序 - 這種材料含有Weyl費米子的兩個要求之一。

“它描述了電子的旋轉(zhuǎn)以及它們?nèi)绾闻帕? 他們都指向中心或他們都指出，“考爾德說。“中子是確定磁結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)和最佳方法。這些材料中的磁峰很弱，因為它們的旋轉(zhuǎn)尺寸較小，所以你必須使用像我們這里看到的那樣的儀器。“

第二個標(biāo)準(zhǔn)是強自旋 - 軌道耦合，即所有原子的特性，它描述了電子的自旋及其在原子周圍的運動是如何相互聯(lián)系的。通常，具有更多電子的較大原子表現(xiàn)出更強的自旋軌道效應(yīng)。但是這種材料中的鋨雖然是一種重且致密的元素，卻具有一種電子配置，可以消除自旋軌道效應(yīng)。

研究人員在阿貢實驗室的DOE科學(xué)用戶設(shè)施Advanced Photon Source使用X射線分析發(fā)現(xiàn)了鋨酸鹽燒綠石材料中強烈的自旋 - 軌道耦合的證據(jù)。

“預(yù)計在這種燒綠石材料中應(yīng)該抑制或忽略鋨中的自旋 - 軌道耦合效應(yīng)，”Calder說。“但這是第一次用這種X射線技術(shù)測量鋨基材料。X射線的目的是尋找強旋轉(zhuǎn)軌道耦合的特征，這就是我們所看到的。“

Calder警告說，研究小組的研究并不是鋨酸鹽材料中Weyl費米子的直接證據(jù)，但它確實表明該材料是潛在的宿主。

“它顯示了材料的磁性基態(tài)和強旋轉(zhuǎn)軌道耦合的存在，這些都是這些Weyl費米子所必需的，”他說。“很多人只關(guān)注銥基材料來承載旋轉(zhuǎn)軌道耦合效應(yīng)，可以為你提供新的物理效果。這表明鋨基材料也很重要。“